基于多能流聯(lián)合解算與分析的綜合能源在線仿真系統(tǒng)開發(fā)

韓華春，吳盛軍，汪成根

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，南京 211103）

0 引言

近年來，能源與環(huán)境問題逐步成為遏制社會(huì)發(fā)展的主要問題，同時(shí)，我國能源消費(fèi)供給、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型形態(tài)呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢［1］。電動(dòng)汽車、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、光伏、光熱等新型能源生產(chǎn)與利用形式已逐步融入社會(huì)日常生活，不僅促進(jìn)了我國能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程，也給能源生產(chǎn)與供給帶來了新挑戰(zhàn)。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）作為一種新型能源運(yùn)用方式被提出。

目前，國際上對于綜合能源系統(tǒng)尚無統(tǒng)一定義，國內(nèi)對區(qū)域內(nèi)部綜合能源系統(tǒng)的研究大部分局限于供電、供氣、供熱、供冷、供氫等各類能源聯(lián)供的能源微網(wǎng)型多能互補(bǔ)系統(tǒng)（multi?energy comple?mentary system，MCS）［2—3］。綜合能源系統(tǒng)主要由冷熱 電 聯(lián) 供（combined cooling heating and power，CCHP）系統(tǒng)和微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成，可滿足區(qū)域內(nèi)多種負(fù)荷需求，提高多能利用效率，實(shí)現(xiàn)分布式電能、冷熱能、天然氣能源統(tǒng)一調(diào)度，提升區(qū)域環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益，具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ?—6］。然而，由于IES 的復(fù)雜性，CCHP 存在IES 規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行等一系列實(shí)際問題，需要通過仿真研究來給出解決方案，因此研究與開發(fā)IES仿真具有較高的實(shí)際意義與工程應(yīng)用價(jià)值［7］。

目前，國內(nèi)外研究人員針對綜合能源系統(tǒng)的仿真專注于電-氣、電-熱、電-氣-熱等多種能源耦合互聯(lián)的多能流穩(wěn)/動(dòng)態(tài)仿真。文獻(xiàn)［8］基于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（integrated community energy system，ICES）的概念和能源集線器（energy hub，EH）模型構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)模型，分析完全解耦、部分耦合以及完全耦合3種運(yùn)行模式下電力網(wǎng)絡(luò)和燃?xì)夤芫W(wǎng)的相關(guān)約束，提出適用的混合潮流算法。文獻(xiàn)［9］至文獻(xiàn)［11］研究電-氣混合潮流的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)建模，提出包括暫態(tài)差分法、暫態(tài)牛頓拉夫遜法、穩(wěn)態(tài)迭代法、穩(wěn)態(tài)雅可比矩陣法在內(nèi)的求解算法。在電熱耦合運(yùn)行的場景下，文獻(xiàn)［12］提出了2種同時(shí)分析電熱耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)仿真方法:基于電熱潮流的分立求解方法和電-水力-熱力聯(lián)合求解方法。文獻(xiàn)［13］采用了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)模型，并提出了一種分解-迭代求解算法來仿真電熱耦合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，該方法能夠適用于多熱源、變流量和任意拓?fù)涞臒峋W(wǎng)，但不足之處在于進(jìn)行迭代求解時(shí)，需要已知各熱負(fù)荷處的回水溫度，或假設(shè)它們?yōu)橐阎浚@與實(shí)際運(yùn)行情況有所偏差。文獻(xiàn)［14］開發(fā)了適用于變流量運(yùn)行熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真，且無需已知負(fù)荷處回水溫度分布，可通過水力與熱力方程的交叉迭代獲得更為精確的熱網(wǎng)動(dòng)態(tài)信息。文獻(xiàn)［15］針對電-氣-熱耦合互聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。以上的研究均處于理論階段，應(yīng)用于工程實(shí)際的較少，且實(shí)際工程中存在的大規(guī)模系統(tǒng)仿真等應(yīng)用問題尚未得到有效解決。

近年來，單獨(dú)的電力、燃?xì)狻崃Ψ抡孳浖呀?jīng)快速發(fā)展，成熟的商業(yè)軟件包括可進(jìn)行熱網(wǎng)仿真的TRNSYS、Modelica、TERMIS、Apros 和IDA?ICE 等，可進(jìn)行電力仿真的pandapower、BPA、PSASP、PSSE、EMTP、PSACD、DGRSS 等，可進(jìn)行燃?xì)庀到y(tǒng)仿真的Pipeline Studio、Synergi Gas 等，然而，支持IES 聯(lián)合仿真的商業(yè)軟件尚未得到有效開發(fā)。2020年，清華大學(xué)發(fā)布了可應(yīng)用于多能流仿真的CloudPSS?IESLab 2.0 云端軟件平臺(tái)，但是該平臺(tái)可仿真的綜合能源設(shè)備較少，且多數(shù)綜合能源耦合設(shè)備僅支持固定選型，未能實(shí)現(xiàn)用戶自定義，不具備應(yīng)用的一般性與廣泛性。

基于此，本文開發(fā)一種基于多能流聯(lián)合解算與分析的綜合能源在線仿真系統(tǒng)。設(shè)備建模部分，建立51 種設(shè)備模型，涵蓋市面上常見的設(shè)備類型，具備典型參數(shù)選擇與用戶自定義模板生成；管網(wǎng)部分，支持電力、燃?xì)狻崃Α⒗渌⒄羝W(wǎng)共5 種網(wǎng)絡(luò)仿真計(jì)算，其中蒸汽管網(wǎng)仿真算法為自主研發(fā)。該系統(tǒng)支持多能源子系統(tǒng)/耦合系統(tǒng)的單時(shí)間斷面仿真、連續(xù)多斷面仿真、故障模擬、運(yùn)行優(yōu)化等功能，可針對所規(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)提供包括全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模擬、故障恢復(fù)分析等運(yùn)行可行性驗(yàn)證，具備工程應(yīng)用價(jià)值。

1 綜合能源在線仿真系統(tǒng)設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)建模

1.1 綜合能源設(shè)備

平臺(tái)嵌入51種綜合能源設(shè)備模型，不僅配置有市場上較為典型的綜合能源設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，而且支持用戶自定義設(shè)備參數(shù)與模板，更具操作的靈活性。按照用能與傳輸特性，將設(shè)備分為用能設(shè)備與傳輸/控制設(shè)備。對于用能設(shè)備，按照終端用能種類又可分為電、氣、熱、冷、蒸汽等5種設(shè)備。具體設(shè)備分類見表1，設(shè)備模型見文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［10］、文獻(xiàn)［16］、文獻(xiàn)［17］。

表1 綜合能源設(shè)備庫Table 1 Integrated energy equipment base

1.2 綜合能源網(wǎng)絡(luò)

針對電-氣-冷-熱-熱蒸汽多能流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合穩(wěn)/動(dòng)態(tài)仿真，支持單能源/多能源并行解算。多能流仿真算法見表2，算法模型見文獻(xiàn)［15］、文獻(xiàn)［17］至文獻(xiàn)［22］。

表2 多能流仿真算法Table 2 Multi?energy flow simulation algorithm

2 綜合能源在線仿真系統(tǒng)軟件開發(fā)

基于上述理論，采用B/S架構(gòu)開發(fā)了綜合能源系統(tǒng)在線仿真平臺(tái)。前端采用JavaScript，后端采用基于Java語言的Spring框架，仿真計(jì)算采用Python編寫。

2.1 系統(tǒng)軟件模型

面向?qū)ο笫且环N編程范式，把相關(guān)數(shù)據(jù)和方法作為一個(gè)整體來看待，從更高層次來進(jìn)行系統(tǒng)建模，更貼近事物的自然運(yùn)行模式。采用該范式，在建模過程中，拓?fù)渲忻總€(gè)設(shè)備和線路/管道都被定義為一個(gè)類的對象，由前端封裝到一個(gè)json 文件中傳給后端。后端將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)前端傳遞的拓?fù)鋱D的連接信息，進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)子網(wǎng)分配，將錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合網(wǎng)絡(luò)分解為一個(gè)個(gè)單獨(dú)計(jì)算的子網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)分解流程如圖1 所示，首先為5 種能源子網(wǎng)分別構(gòu)建一個(gè)并查集，遍歷拓?fù)渲兴性O(shè)備和線路/管道，將設(shè)備按照含有的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分配到并查集中；根據(jù)設(shè)備間的對應(yīng)關(guān)系，由并查集對隸屬于同種子網(wǎng)的設(shè)備進(jìn)行分組，最后將只有一個(gè)設(shè)備的分組過濾，即完成綜合能源系統(tǒng)子網(wǎng)分配。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分解流程Fig.1 Network decomposition flow

為防止用戶構(gòu)建的拓?fù)浼颁浫氲臄?shù)據(jù)出錯(cuò)，平臺(tái)還具備拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)的校驗(yàn)功能。拓?fù)湫ｒ?yàn)主要校驗(yàn)是否存在不同屬性的設(shè)備連接到一起、是否存在拓?fù)錁?gòu)建不完全、在采用節(jié)點(diǎn)法的節(jié)點(diǎn)中是否有兩個(gè)源連接在同一總線上等；數(shù)據(jù)校驗(yàn)主要校驗(yàn)所需數(shù)據(jù)是否填寫完全、質(zhì)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中流量填寫是否對應(yīng)，并且對于用戶填寫的無效數(shù)據(jù)會(huì)有提示。如果存在上述錯(cuò)誤，前端頁面會(huì)提示用戶進(jìn)行修改并將錯(cuò)誤定位，直到所有錯(cuò)誤全部修改完畢才可進(jìn)行計(jì)算。

將校驗(yàn)通過的子網(wǎng)數(shù)據(jù)依次傳入Python代碼進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算完成后，將計(jì)算結(jié)果分配到對應(yīng)的設(shè)備和線路/管道，后端將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)并封裝到j(luò)son文件傳給前端進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

2.2 系統(tǒng)模型搭建

在線平臺(tái)采用圖形化建模方式，用戶只需按照規(guī)則將需仿真的綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備拖入畫布中，并用線路/管道連成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最后將計(jì)算所需的所有參數(shù)填寫到軟件系統(tǒng)中，系統(tǒng)即可自動(dòng)進(jìn)行解算。

用戶連接拓?fù)鋱D后，可依次點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，仿真平臺(tái)還支持多時(shí)間斷面的時(shí)序仿真，用戶可選擇在web頁面依次輸入時(shí)序數(shù)據(jù)，也可選擇下載excel模板進(jìn)行數(shù)據(jù)的批量錄入。

數(shù)據(jù)輸入完成后，用戶可點(diǎn)擊單斷面仿真按鈕或者時(shí)序仿真按鈕進(jìn)行仿真，仿真完成后會(huì)分別彈出結(jié)果頁面，用戶可自由查看所有設(shè)備和線路/管道的仿真結(jié)果以及結(jié)果分析。

2.3 在線計(jì)算功能

為實(shí)現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，仿真平臺(tái)配備實(shí)時(shí)計(jì)算功能，可以從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)獲取綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)寫回?cái)?shù)據(jù)庫并在前端界面進(jìn)行展示，主要顯示信息為各設(shè)備及線路/管道的主要參數(shù)，方便用戶對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行管理。在線計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 在線計(jì)算流程Fig.2 Online calculation flow

3 算例分析

該綜合能源仿真平臺(tái)已經(jīng)被國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院運(yùn)用于綜合能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中。電力科學(xué)研究院內(nèi)部有配電樓、食堂、生產(chǎn)值班樓、特高壓大廳和中心實(shí)驗(yàn)樓等建筑，需要供電、供冷、供熱。其內(nèi)部有一能源站，主要包括地源熱泵、溴化鋰機(jī)組、一體化集熱光伏、燃?xì)忮仩t、儲(chǔ)熱罐和冰蓄冷進(jìn)行冷熱能源供給，電力則由外部學(xué)景變和高橋變提供，電科院綜合能源系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 IES stucture

仿真平臺(tái)通過可視化的參數(shù)輸入方式為后端計(jì)算代碼提供計(jì)算信息，系統(tǒng)可將最終計(jì)算結(jié)果在前端以圖表的形式展示，也可通過excel表格的方式輸出。

電-冷-熱網(wǎng)絡(luò)連續(xù)多時(shí)間斷面仿真界面如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果展示界面Fig.4 Display interface of simulation results

選取含有2種負(fù)荷的配電樓和食堂的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。常規(guī)態(tài)下配電樓和食堂的各項(xiàng)參數(shù)如圖5所示。故障態(tài)下，7:00—8:00能源站制熱設(shè)備由于運(yùn)行故障退出運(yùn)行，9:00能源站制熱能力恢復(fù)。

圖5 常規(guī)態(tài)配電樓和食堂仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of conventional distribution building and canteen

常規(guī)態(tài)和故障態(tài)的仿真結(jié)果對比如圖6 所示，在常規(guī)態(tài)下，配電樓和食堂的所有負(fù)荷均得以滿足，而在故障態(tài)下，由于能源站供熱出現(xiàn)問題，配電樓和食堂的供熱溫度均有嚴(yán)重下降，在故障時(shí)間段內(nèi)分別平均下降了18.555 ℃和18.715 ℃。當(dāng)制熱設(shè)備出現(xiàn)故障，回水管道回流的介質(zhì)沒有經(jīng)過加熱又流入供水管道，導(dǎo)致供給到配電樓和食堂的介質(zhì)溫度逐漸降低，并且因?yàn)槟茉凑镜念~定功率有限，供熱溫度在故障修復(fù)后一段時(shí)間內(nèi)仍較低。

圖6 常規(guī)態(tài)、故障態(tài)供熱溫度對比Fig.6 Comparison of heating temperature between normal state and fault state

常規(guī)態(tài)和故障態(tài)的熱網(wǎng)運(yùn)行曲線如圖7 所示，在故障時(shí)間7:00 和8:00，能源站制熱功率為0，當(dāng)9:00 能源站制熱能力修復(fù)后，能源站熱出力連續(xù)5 h 為最大功率，以提升管網(wǎng)中的介質(zhì)溫度，至15:00 熱網(wǎng)運(yùn)行恢復(fù)正常。

圖7 熱網(wǎng)運(yùn)行曲線Fig.7 Operation curves of heat supply network

從圖7 可以看出，本文研發(fā)的在線仿真平臺(tái)可以對綜合能源系統(tǒng)中包含設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合仿真并支持故障模擬，符合設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的理論原理，可為用戶提供綜合能源系統(tǒng)仿真層面的數(shù)據(jù)分析。

4 結(jié)束語

針對國內(nèi)對于綜合能源系統(tǒng)仿真軟件稀缺的現(xiàn)狀，本文開發(fā)了一個(gè)可以對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真模擬的在線平臺(tái)，嵌入完備的設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)模型庫，實(shí)現(xiàn)了算法理論的實(shí)踐應(yīng)用。采用動(dòng)態(tài)圖形化建模的方式構(gòu)建拓?fù)洌芸焖俚貙C合能源系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

仿真系統(tǒng)針對國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)態(tài)和故障態(tài)仿真。常規(guī)態(tài)下所有區(qū)域的負(fù)荷均得到滿足。故障態(tài)考慮能源站供熱故障，導(dǎo)致配電樓和食堂的供熱溫度均嚴(yán)重下降；介質(zhì)沒有經(jīng)過加熱又流入供水管道，導(dǎo)致供給溫度逐漸降低；能源站的額定功率限制導(dǎo)致供熱溫度在故障恢復(fù)后一段時(shí)間內(nèi)仍較低。仿真結(jié)果符合設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的理論分析，實(shí)現(xiàn)了電、冷、熱等多能源系統(tǒng)聯(lián)合仿真。通過常規(guī)態(tài)與故障態(tài)的仿真模擬，對綜合能源系統(tǒng)建設(shè)方案進(jìn)行包括全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)模擬、故障恢復(fù)分析等的運(yùn)行可行性驗(yàn)證，為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃提供仿真層面的數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)際運(yùn)用表明，本文所介紹的軟件平臺(tái)可有效實(shí)現(xiàn)多能流多運(yùn)行狀態(tài)仿真，功能強(qiáng)大，能夠支持綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行分析和優(yōu)化，具備工程應(yīng)用價(jià)值。